Captan imágenes inéditas de células humanas que ayudarán a luchar contra el cáncer

Varios centros de investigación españoles se han unido para mostrarnos lo nunca visto. La película que han creado no competirá en los Goya, pero acaba de publicarse en la prestigiosa revista Science. Las imágenes, capturadas a través de microscopía crioelectrónica y procesadas con inteligencia artificial, muestran por primera vez algo que ocurre en todos nosotros, pero que aún resulta bastante desconocido: la formación de microtúbulos, un proceso esencial para que las células humanas se puedan multiplicar. Cuando sale mal, puede dar lugar a cáncer y otras enfermedades, así que conocer los detalles es fundamental.

El Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona y el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) de Madrid lideran esta investigación, en la que también participa el Instituto de Biología Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC) y que puede sentar las bases de futuros avances para desarrollar nuevos tratamientos contra tumores o para entender trastornos del neurodesarrollo. Hasta ahora era un misterio cómo se inicia la construcción de los microtúbulos, diminutas estructuras con forma de tubo que son esenciales para que las células se puedan dividir, realizando una copia completa del material genético contenido en los cromosomas.

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“Los microtúbulos son componentes críticos de las células, pero todas las imágenes que vemos en los libros de texto que describen los primeros momentos de su creación son modelos o dibujos basados en estructuras de levadura. Aquí capturamos el proceso en acción dentro de las células humanas”, comenta el profesor de investigación ICREA Thomas Surrey, coautor principal del estudio e investigador del CRG. Según explica, estos nuevos datos sobre un proceso biológico crucial podrían conducir a “nuevos enfoques terapéuticos para una amplia gama de trastornos”.

En el CNIO, Óscar Llorca, también coautor principal del artículo, define los microtúbulos como “sogas” que ayudan a dividir los cromosomas. Una vez que la información genética está duplicada, la célula genera estos grandes tubos desde sus dos extremos que “tiran” de cada una de las copias del material genético para encapsularlas en cada célula hija. Así, los microtúbulos son clave para la división de las células, pero además actúan como “autopistas para transportar componentes” dentro de la propia célula.

Las imágenes de alta resolución han revelado un aspecto que se desconocía. La formación de los microtúbulos se inicia gracias a una estructura llamada γ-TuRC, que está formada por varias proteínas. Todo arranca cuando esta estructura se cierra formando un anillo y se convierte en un molde perfecto para lanzar la formación de los microtúbulos. Gracias a este trabajo se ha visualizado cómo empieza todo: hace falta un “primer ladrillo” del microtúbulo que ancla el conjunto de proteínas para que comience a construirse toda la estructura. En el fondo, es como colocar los cimientos, las primeras piedras de un puente.

Cómo se ha conseguido

Lograr ver cómo sucede ha sido todo un reto. La primera dificultad está en que los microtúbulos miden milésimas de milímetro de largo y nanómetros (millonésimas de milímetro) de ancho. La segunda es que todo ocurre a una velocidad altísima. El equipo del CRG consiguió ralentizar el proceso en el laboratorio, de manera que se detenía el crecimiento de estas estructuras celulares para poder analizar las etapas iniciales. Las imágenes se obtuvieron mediante microscopía crioelectrónica y fueron procesadas gracias a métodos complejos para determinar la formación de los tubos en 3D.

"Teníamos que encontrar condiciones que nos permitieran obtener imágenes de más de un millón de microtúbulos antes de que crecieran demasiado”, explica Cláudia Brito, investigadora postdoctoral en el CRG y primera autora del estudio publicado en Science. Para conseguirlo recurrieron a técnicas moleculares y a la congelación de las muestras. El resultado se pudo observar gracias a la Plataforma de Criomicroscopía Electrónica del IBMB-CSIC, situada en el sincrotrón ALBA de Cerdanyola del Vallès (Barcelona).

Una fina capa de hielo preservó las muestras para observar los microtúbulos en formación. Las mejores se enviaron al BREM (Basque Resource for Electron Microscopy) para la toma de imágenes y después, al CNIO. En este centro las analizaron y determinaron las estructuras tridimensionales a resolución atómica. Tenían un millón de fotogramas de una película que mostraban las distintas fases de crecimiento de los microtúbulos. ¿Cómo ordenar ese material para tener una auténtica película de los hechos?

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Los investigadores del CNIO recurrieron a técnicas de inteligencia artificial para el procesamiento digital de la imagen. “El gran reto ha sido analizar a alta resolución las imágenes de un proceso dinámico, donde estábamos observado a la vez varias etapas”, comenta Llorca. Según explica este autor, “esto ha sido posible gracias al uso de redes neurales”, que les han permitido “ordenar toda esa complejidad”.

Por qué es tan importante en cáncer

Los autores de este trabajo destacan las implicaciones que puede tener para la salud. La consecuencia de más destacable de un mal funcionamiento de los microtúbulos es la proliferación descontrolada de células humanas, es decir, el cáncer. De hecho, algunos fármacos oncológicos actúan, precisamente, dirigiéndose a los microtúbulos, impidiendo su formación o afectando a su funcionamiento para evitar la multiplicación de las células tumorales. El problema es que estos medicamentos actúan de forma indiscriminada, tanto en las células cancerosas como en las sanas, y esto provoca efectos secundarios. Asimismo, los tumores generan resistencias.

En ese sentido, este hallazgo abre nuevas expectativas: permite entender de una manera mucho más precisa cómo se forman los microtúbulos y, por lo tanto, la división celular, así que podría contribuir a la mejora de los tratamientos. En concreto, a partir de los datos publicados en Science sería posible desarrollar fármacos más específicos y eficaces o terapias distintas con un nuevo enfoque.

Los expertos también destacan que los trastornos del desarrollo neurológico, como la microcefalia (el tamaño de la cabeza del bebé es más pequeño de lo esperado) también están relacionados con el fallo de los microtúbulos. Lo mismo ocurre con otras enfermedades muy variadas, desde problemas respiratorios a enfermedades cardiacas; por lo tanto, esta investigación parece abrir un gran abanico de oportunidades para nuevos estudios.

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No obstante, aún queda mucho por saber. Según los investigadores, es probable que dentro de la formación de los microtúbulos haya “reguladores aún por descubrir”. De hecho, otros estudios han descrito varios candidatos, “pero su mecanismo de acción aún no está claro”, apunta Surrey. Así que este equipo de científicos seguirá trabajando en esta línea de investigación para mejorar su comprensión del funcionamiento de los microtúbulos. El objetivo final es “ofrecer alternativas a las que dirigirse para impedir que las células cancerosas sigan su ciclo celular”.